질량 결손과 결합 에너지는 어떻게 관련되어 있으며, 아인슈타인의 E=mc²과 어떤 연결이 있나요?

Question

안녕하세요. 핵화학에서는 핵을 구성하는 양성자와 중성자. 그리고 그 주변에 전자가 따로 떨어져 있을 때보다 핵을 구성하는 핵자를 이루었을 때 질량이 더 가볍다고 하던데요, 질량 결손과 결합 에너지는 어떻게 관련되어 있으며, 아인슈타인의 E=mc²과 어떤 연결이 있나요?

Answer 1

안녕하세요. 핵화학에서 말하는 질량 결손과 결합 에너지는 사실 같은 현상의 두 표현이고, 아인슈타인의 질량–에너지 등가 관계 E=mc^2으로 연결되는데요, 우선 어떤 원자핵을 만들 때, 양성자 Z개와 중성자 N개를 따로 떼어놓고 질량을 모두 합하면 그 합은 실제 원자핵의 질량보다 큰데요, 원자핵이 안정하게 결합하면서, 일부 질량이 사라진 것처럼 보이는데, 이 질량이 바로 에너지로 전환된 것입니다. 반대로 원자핵을 완전히 분리해서 다시 개별적인 양성자와 중성자로 만들려면, 그만큼의 에너지를 가해주어야 하는데요, 이때 필요한 에너지가 바로 결합 에너지이며 즉, 결합 에너지 = 질량 결손이 에너지로 전환된 양이라고 보시면 됩니다. 아인슈타인의 등가 원리에 따르면, 질량은 에너지의 한 형태인데요 따라서 핵자들이 결합하면서 안정한 핵을 만들 때, 일부 질량이 결합 에너지 형태로 바뀌어 방출되며 이 때문에 원자핵의 질량이 단순한 합보다 작아지고, 그 차이가 바로 질량 결손으로 나타나는 것입니다. 감사합니다.